Квантовые компьютеры могут быть холоднее глубокого космоса — вот как они продолжают работать25.10.2026 16:30

Одно из самых холодных мест во Вселенной находится не на далёкой планете и не в пустоте между галактиками. Оно здесь, на Земле, в лаборатории. В глубоком космосе температура составляет около 2,7 кельвина (на 454,8 градуса ниже нуля по Фаренгейту) — такова температура остаточного свечения Большого взрыва, сообщает Space.com. Новейшая модульная криогенная система IBM охлаждается до температуры ниже 15 милликельвинов — по словам компании, это более чем в 180 раз холоднее глубокого космоса. Это чуть выше абсолютного нуля.

Как IBM удаётся охладить машину сильнее, чем глубокий космос, и, что, пожалуй, важнее, зачем это нужно? Какую пользу это принесёт нам, теплокровным людям? Ответ начинается с того, что именно охлаждают: кубита.

Обычные компьютеры выполняют вычисления с помощью битов — крошечных переключателей, которые могут принимать значение 1 или 0, быть включёнными или выключенными. Кубит скорее похож на регулятор, чем на переключатель: он может занимать множество положений между «включено» и «выключено». Разницу можно представить как разницу между выключателем света и диммером. Кроме того, у каждого кубита есть своё «направление», которое несёт информацию. Поэтому бит может быть либо включён, либо выключен, а кубит способен хранить несколько значений в двух разных направлениях.

Биты работают по отдельности: каждый из них независимо переключается во включённое или выключенное состояние. Кубиты же можно связать друг с другом, так что сведения об одном позволяют судить и об остальных. Представьте себе пульт с соединёнными регуляторами: поворот одного сдвигает и остальные.

Квантовый компьютер выполняет алгоритмы, устроенные так, что неправильные ответы взаимно уничтожаются, а правильный остаётся. Это похоже на волны на озере: в одних местах они гасят друг друга, а в других складываются. Загвоздка в том, что эти регуляторы чрезвычайно чувствительны. Любое внешнее возмущение распространяется на все кубиты и повышает вероятность ошибки. И тут на помощь приходит холод.

Чтобы понять, почему квантовому компьютеру нужны максимально низкие температуры, начнём с простого вопроса: что такое тепло? Ответ прост: тепло — это энергия движения. Когда вы стоите на солнце, молекулы вашего тела поглощают часть его энергии и начинают вибрировать быстрее. Ощущаемое вами тепло — это просто усиление колебаний крошечных частиц.

Кубиты настолько чувствительны, что даже небольшое количество энергии может вывести один из них из его состояния и нарушить взаимодействие между кубитами. Это явление называется декогеренцией и повышает вероятность ошибки. Чем больше энергии получает квантовый компьютер, тем менее точными становятся его вычисления. Поэтому IBM и другие компании, занимающиеся квантовыми вычислениями, стараются приблизиться к абсолютному нулю как можно сильнее, чтобы свести к минимуму количество тепла, способного нарушить работу кубитов.

Если вы когда-нибудь видели квантовый компьютер, то, вероятно, замечали, что он похож на люстру из научной фантастики, которая свисает вниз и сужается к нижней части. Это рефрижератор растворения — стопка металлических пластин, каждая из которых холоднее расположенной над ней. Наверху поддерживается комнатная температура. Внизу находится самая холодная точка машины, и именно там подвешен процессор. Но есть одна проблема. Провода, управляющие кубитами, идут от области с комнатной температурой, а поскольку провода проводят тепло, каждый из них передаёт его вниз — прямо к тому, что холодильная установка пытается защитить. Возникает парадокс: чем больше кубитов в машине, тем больше ей нужно проводов и тем сильнее она нагревается.

Нет. Не каждый квантовый компьютер устроен вокруг огромного холодильника. В машинах с нейтральными атомами, например тех, что создаёт QuEra, отдельные атомы удерживаются в небольшой вакуумной камере, а лазеры охлаждают их до микрокельвиновых температур — ниже тех, которых способен достичь любой холодильник. Стенки камеры и окружающее оборудование остаются при комнатной температуре. Проблема с проводами в основном исчезает, поскольку здесь нет холодной стопки, которую они могли бы нагревать. Фотонные машины, в которых в качестве кубитов используются частицы света, устроены похожим образом: многие их компоненты работают при комнатной температуре, однако однофотонные детекторы обычно всё же нуждаются в охлаждении. Каждый подход позволяет решить проблему охлаждения, но создаёт другую — например, необходимость удерживать тысячи атомов или надёжно обнаруживать отдельные фотоны.

Что же произойдёт, когда мы решим проблему охлаждения и получим надёжный работающий квантовый компьютер? Как и большинство технологических прорывов, он принесёт и реальную пользу, и серьёзную опасность. Квантовые компьютеры не быстрее во всём, однако в решении некоторых задач, например моделирования молекул для создания нового лекарства, они могут оказаться значительно быстрее. Кроме того, они способны взломать криптографию с открытым ключом, защищающую ваши учётные записи и биткойны. Согласно оценке Google Quantum AI за 2025 год, для взлома стандартного ключа RSA-2048 потребуется менее 1 миллиона шумных кубитов — против 20 миллионов в 2019 году. В статье Google за 2026 год говорится, что для взлома схемы подписи биткойна понадобится менее 500 000 кубитов. В современных машинах их от нескольких сотен до нескольких тысяч, поэтому это не произойдёт завтра. К тому же решение уже существует: в августе 2024 года Национальный институт стандартов и технологий (NIST) утвердил первые стандарты постквантового шифрования и объявил, что они готовы к немедленному применению.

Пока что главная трудность не в том, что квантовые компьютеры будут делать, когда заработают. Главное — удерживать их достаточно холодными, чтобы они вообще могли работать.